Dinámica. Carrera: Ingeniería Petrolera PED-1008 SATCA

Transcripción

1 1.- DATOS DE LA ASIGNATURA Nombre de la asignatura: Carrera: Clave de la asignatura: SATCA 1 Dinámica Ingeniería Petrolera PED PRESENTACIÓN Caracterización de la Asignatura. La dinámica es una parte de la mecánica que aporta al perfil del estudiante de Ingeniería Petrolera los conocimientos, habilidades y destrezas para explicar los fenómenos relacionados con el movimiento ya sea de las partículas o de un cuerpo rígido. Como parte primordial de este curso es el de desarrollar en el estudiante de ingeniería la habilidad de analizar cualquier problema de manera sencilla y lógica. Al integrar la asignatura, se hace un análisis mecánico en el cual se identifican efectos dinámicos importantes en el área petrolera, como lo son el análisis básico de mecanismos y herramientas indispensables utilizadas en perforación, la dinámica de los hidrocarburos, así como todos los sistemas dinámicos que intervienen en el área de perforación, refinerías o en un simple taller, que el ingeniero asignado a estas áreas debe conocer e interpretar. Intención Didáctica. Esta asignatura está organizada en 6 unidades. Se propone abordar cada uno de los temas de la dinámica, partiendo de la identificación de cada uno de los conceptos en el entorno cotidiano o el de desempeño profesional del Ingeniero Petrolero. La unidad uno inicia con el estudio de la cinemática básica de las partículas, se debe aclarar que el concepto de partículas no se refiere a cuerpos pequeños, si no a cuerpos relativamente grandes que se modelan como partículas para que su análisis sea más simple, objetivos, conceptos y operaciones básicas de cinemática. Esta unidad es fundamental debido a que las técnicas y ecuaciones para la solución de problemas también son aplicables en el resto de las unidades. La unidad dos es una unidad bastante interesante, ya que se aborda la cinemática de los cuerpos rígidos desde un enfoque de movimiento de traslación, rotación y la combinación de estos dos movimientos al que llamamos movimiento plano general. El método para la solución de problemas por medio de centros instantáneos, es un toque especial para esta unidad, debido a que es una solución grafica del movimiento plano general. En esta unidad se sugiere crear prototipos físicos mecánicos donde pueda verse la aplicación práctica de las ecuaciones del movimiento plano general. 1 Sistema de asignación y transferencia de créditos académicos 1

2 En la tercera unidad se introduce al tema de la cinética de la partícula, con esto se pretende presentar la segunda ley del movimiento de newton no solo en su ordinario F= ma, sino también como una ley que relaciona, respectivamente, la suma de las fuerzas que actúan sobre una partícula. Un método adicional para la solución de problemas de dinámica en esta unidad, son los métodos de la energía: trabajo y energía y conservación de la energía. El ingeniero petrolero debe conocer y ser capaz de distinguir las diferentes formas de solución de problemas en que se involucre la dinámica de cuerpos rígidos, y así poder entender el funcionamiento de los equipos, dispositivos o maquinas electromecánicas que operan cotidianamente en su entorno. Esto permite mostrar a la Dinámica como útil por sí misma en el desempeño profesional, independientemente de la utilidad que representa en el tratamiento y entendimiento de temas en materias posteriores. La unidad cuatro retoma el tema del movimiento de varias partículas con el enfoque de la cinética de partículas involucrando los métodos del impulso y la cantidad de movimiento lineal. En esta unidad el ingeniero petrolero aprende un método adicional, para resolver problemas de dinámica, utilizando la masa, la velocidad de los cuerpos y el tiempo. Este método tiene un interés especial en la solución de problemas en los que participa un movimiento impulsivo o uno de impacto. Es recomendable darle una importancia especial al tema de impacto o colisiones entre partículas, ya que, este fenómeno crea efectos físicos importantes que el ingeniero petrolero debe comprender, analizar y solucionar. La unidad cinco es una recapitulación de las unidades dos y tres, el enfoque de la unidad dos es principalmente el análisis de velocidades lineales y angulares y la unidad tres se limita al estudio de la segunda ley de newton y la energía de placas planas y cuerpos simétricos con respecto al plano de referencia. Esta unidad combina la velocidad de los cuerpos en términos angulares con la masa de de los mismos cuerpos. La unidad seis permite al estudiante de Ingeniería Petrolera entrar al estudio de las vibraciones mecánicas, esto le permite al ingeniero petrolero tener un conocimiento sólido respecto a los sistemas mecánicos sometidos a vibraciones libres o sufrir vibraciones forzadas. La mayoría de los equipos electromecánicos de perforación deben ser diseñados en base a un análisis de vibraciones mecánicas a la que van a ser sometidos cuando estén operando, esto permite una seguridad al mismo equipo y al operario. Para lograr el mayor entendimiento de los estudiantes de ingeniería en petrolera en esta difícil área es necesario que el profesor tenga conocimientos sólidos en esta rama, teórica y experimentalmente, el dominio eficaz del modelado de sistemas mecánicos, de resortes, amortiguadores, etc. La aplicación de las vibraciones mecánicas en el área de la ingeniería petrolera son innumerables, debido a que todo sistema en movimiento, esta sometido a altas o bajas vibraciones. El enfoque sugerido para la materia requiere que las actividades prácticas promuevan el desarrollo de habilidades para la experimentación, tales como: identificación, manejo y control de variables y datos experimentales. Esto permitirá la formulación de hipótesis, 2

3 trabajo en equipo, análisis y deducción para generar una actividad intelectual compleja. En las actividades prácticas sugeridas, es conveniente que el profesor tenga conocimientos amplios de los temas a estudiar y busque únicamente guiar a los estudiantes para que ellos hagan la elección de las variables a controlar y registrar. Para que aprendan a planificar, diseñar experimentos y hacer el análisis de los datos experimentales obtenidos. En las actividades de aprendizaje sugeridas, generalmente se propone la formalización de los conceptos a partir de experiencias concretas; se busca que el alumno tenga el primer contacto con el concepto en forma concreta y sea a través de la observación, la reflexión y la discusión grupal que se dé la formalización; la resolución de problemas. La resolución de problemas debe ser específica para Ingeniería Petrolera de forma que el estudiante se ejercite en la obtención de datos relevantes relacionados con su área de desempeño profesional. En el transcurso de las actividades programadas es muy importante que el estudiante aprenda a valorar las actividades que lleva a cabo y entienda que está construyendo su hacer futuro y en consecuencia actúe de una manera profesional; para desarrollar su curiosidad, capacidad e interés para aprender. 3

4 3.- COMPETENCIAS A DESARROLLAR Competencias Específicas: Analizar y aplicar los principios y las leyes de la dinámica en la solución de problemas de partículas y cuerpos rígidos sujetos a la acción de fuerzas. Competencias Genéricas: Competencias Instrumentales Capacidad de análisis y síntesis Capacidad de organizar y planificar Conocimientos básicos de la carrera Comunicación oral y escrita Habilidad para buscar y analizar información proveniente de fuentes diversas Solución de problemas relacionados con el movimiento de los sólidos. Toma de decisiones. Competencias Interpersonales Capacidad crítica y autocrítica Trabajo en equipo Habilidades interpersonales Competencias Sistémicas Capacidad de aplicar los conocimientos teóricos adquiridos en los experimentos realizados. Habilidades de investigación. Capacidad de aprender. Capacidad de generar nuevas proyectos relacionados con su área de desempeño. 4

5 4.- HISTORIA DEL PROGRAMA Lugar y fecha de elaboración o revisión Instituto Tecnológico Superior de Puerto Vallarta del 10 al 14 de agosto de Desarrollo de Programas en Competencias Profesionales por los Institutos Tecnológicos del 17 de agosto de 2009 al 19 de febrero de Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica del 22 al 26 de febrero de Participantes Representantes de los Institutos Tecnológicos de: Superior de Coatzacoalcos, Minatitlán, Superior de Poza Rica y Superior de Venustiano Carranza. Academias de Ingeniería Petrolera de los Institutos Tecnológicos de: Superior de Coatzacoalcos, Minatitlán, Superior de Poza Rica, Superior de Tantoyuca y Superior de Venustiano Carranza. Representantes de los Institutos Tecnológicos de: Superior de Coatzacoalcos, Minatitlán, Superior de Poza Rica, Superior de Tantoyuca y Superior de Venustiano Carranza. Evento Reunión Nacional de Diseño e Innovación Curricular para el Desarrollo y Formación de Competencias Profesionales de la Carrera de Ingeniería Petrolera. Elaboración del programa de estudio propuesto en la Reunión Nacional de Diseño Curricular de la Carrera de Ingeniería Petrolera. Reunión Nacional de Consolidación de los Programas en Competencias Profesionales de la Carrera de Ingeniería Petrolera. 5

6 5.- OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO Analizar y aplicar los principios y las leyes de la dinámica en la solución de problemas de partículas y cuerpos rígidos sujetos a la acción de fuerzas. 6.- COMPETENCIAS PREVIAS Notación científica. Sistemas de unidades (Sistema Inglés y Sistema Internacional). Concepto de vector y magnitud escalar. Componentes de un vector (Origen, magnitud, dirección y sentido). Operaciones básicas vectoriales (Suma, resta, producto punto y producto vectorial). Conocer los fundamentos de trigonometría Calculo diferencial e integral 7.- TEMARIO Unidad Temas Subtemas 1 Cinemática de partículas 1.1Desplazamiento, velocidad y aceleración. 1.2 Movimiento rectilíneo uniforme. 1.3 Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado. 1.4 Movimiento de varias partículas (dependientes y relacionales). 1.5 Método por solución grafica. 1.6 Movimiento curvilíneo: Posición, velocidad y aceleración. 1.7 Movimiento de rotación: Desplazamiento, velocidad y aceleración angular. 1.8 Movimiento relativo a un sistema de referencia en de traslación. 1.9 Componente tangencial y normal de la aceleración Componente radial y transversal de la velocidad. 2.1 Introducción 2.2 Traslación. 2.3 Rotación con respecto a un eje fijo. 2.4 Movimiento general en el plano. 2 Cinemática de cuerpos 2.41 Ecuaciones que rigen el movimiento general rígidos. en el plano Solución de problemas en forma trigonométrica y en forma vectorial Centros instantáneos Aceleración de Coriolis. 3 Cinética de partículas. 3.1 Leyes del movimiento de Newton Segunda ley de Newton Ecuaciones de movimiento Equilibrio dinámico. 3.2 Trabajo y energía Trabajo de una fuerza. 6

7 4 Cinética de sistemas de partículas 5 Cinética de los cuerpos rígidos Energía cinética Principio del trabajo y la energía Potencia y eficiencia Energía potencial Fuerzas conservativas Principio de la conservación de la energía Impulso y Cantidad de movimiento para una partícula y un sistema de partículas Principio del impulso y la cantidad de movimiento Impacto Cantidad de movimiento lineal y angular para un sistema de partículas. 5.1 Ecuaciones del movimiento de un cuerpo rígido. 5.2 Momento angular de un cuerpo rígido en el plano. 5.3 Movimiento de un cuerpo rígido Principio de D`alembert Traslación, rotación centroidal y movimiento general. 5.4 Trabajo y energía Trabajo de una fuerza Energía cinética Principio de la conservación de la energía Potencia Principio del impulso y de la cantidad de movimiento. 6 Vibraciones Mecánicas 6.1 Vibraciones sin amortiguamiento. 6.2 Vibraciones con amortiguamiento. 7

8 8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS (desarrollo de competencias genéricas) El profesor debe: Ser conocedor de la disciplina que está bajo su responsabilidad, conocer su origen y desarrollo histórico para considerar este conocimiento al abordar los temas. Desarrollar la capacidad para coordinar y trabajar en equipo; orientar el trabajo del estudiante y potenciar en él la autonomía, el trabajo cooperativo y la toma de decisiones. Mostrar flexibilidad en el seguimiento del proceso formativo y propiciar la interacción entre los estudiantes. Tomar en cuenta el conocimiento de los estudiantes como punto de partida y como obstáculo para la construcción de nuevos conocimientos. Estimar mediante un examen diagnóstico el nivel de aprendizaje y comprensión de los conocimientos previos, con objeto de homogeneizarlos. Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en distintas fuentes. Inducir y propiciar el razonamiento matemático relacionado con las leyes de la dinámica. Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de los contenidos de la asignatura. Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el intercambio argumentado de ideas, la reflexión, la integración y la colaboración entre los estudiantes. Desarrollar la enseñanza problemática aplicada a la Ingeniería Petrolera. Llevar a cabo actividades prácticas que promuevan el desarrollo de habilidades para la experimentación, tales como: observación, identificación manejo y control de variables y datos relevantes, planteamiento de hipótesis, de trabajo en equipo. Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicación de los conceptos, modelos y metodologías que se van aprendiendo en el desarrollo de la asignatura. Propiciar el uso adecuado de conceptos, y de terminología científico-tecnológica. Organizar sesiones grupales de discusión y análisis de conceptos y temas fundamentales. Proponer problemas que permitan al estudiante la integración de contenidos de la asignatura y entre distintas asignaturas, para su análisis y solución. Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente; así como con las prácticas de una ingeniería con enfoque sustentable. Observar y analizar fenómenos y problemáticas propias del campo ocupacional. Relacionar los contenidos de esta asignatura con las demás del plan de estudios para desarrollar una visión interdisciplinaria en el estudiante. Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente; así como con las prácticas de una Ingeniería Petrolera sustentable. Cuando los temas lo requieran, utilizar medios audiovisuales para una mejor comprensión del estudiante. Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de la asignatura (hoja de cálculo, bases de datos, graficadores, simuladores, Internet, etc.). 8

9 9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN La evaluación puede ser considerada, en sentido estricto, un conjunto de actividades que se realizan, como parte del proceso de aprendizaje, para obtener información confiable acerca del logro de los objetivos previstos en este programa de estudio. Desde un punto de vista más amplio, la evaluación es un proceso integral, sistemático y gradual que permite valorar: Revisión de problemas resueltos aplicados a la Ingeniería Petrolera. Revisión de resultados presentados en los reportes de las prácticas del laboratorio y visitas industriales. Reportes de investigación. Aplicación de exámenes escritos. Participación y desempeño integral del estudiante UNIDADES DE APRENDIZAJE Unidad 1: Análisis Cinemática de la Partícula. Competencia Específica a Actividades de Aprendizaje Desarrollar Analizar y resolver problemas Realizar y discutir una revisión bibliográfica relacionados con la Ingeniería donde identifique la importancia del estudio de Petrolera que impliquen análisis la Dinámica dentro de la Ingeniería Petrolera. cinemática de una partícula o varias partículas, según se requiera. Con base en esta discusión formalizar el concepto de cinemática y cinética a partir de ello, definir el movimiento de partículas y cuerpos rígidos. Investigar los métodos de análisis y solución de problemas relacionados con el análisis cinemática de una partícula bajo la acción de fuerzas (en el caso de la unidad tres). Investigar y elaborar hojas de cálculo que muestren el uso de los sistemas de unidades (inglés e internacional) utilizados en diversos cálculos de Ingeniería Petrolera. Analizar sistemas de su entorno desde un punto de vista material. Concretar ese análisis en describir el concepto del origen del movimiento y sus características. Elaborar un diagrama y discutir sobre las implicaciones a considerar en el análisis de una partícula y un cuerpo rígido. Dibujar en el plano diagramas de velocidades de los sistemas en movimiento, para que el estudiante se familiarice con estos resaltándoles su importancia. Resolver problemas aplicando las ecuaciones del movimiento plano general y por medio de centros instantáneos. Crear un prototipo físico mecánico simulando los parámetros de posición y determinar sus 9

10 velocidades aceleraciones en los puntos deseados. Afinar los conocimientos adquiridos mediante la resolución de problemas de cinemática y cinética, discutirlos en grupos de trabajo según se requiera. Analizar otros sistemas con el mismo propósito. Unidad 2: Análisis Cinemática del Cuerpo Rígido. Competencia específica a Actividades de Aprendizaje desarrollar Explicar mediante la aplicación de los conceptos de Traslación, Rotación y del Movimiento Plano general, el comportamiento de cuerpo rígido y los identificarlas. fenómenos involucrados para la solución de problemas. Investigar, discutir y formalizar en forma grupal las características que permiten diferenciar entre movimiento de traslación, y rotación e Realizar experimentos que permitan la reflexión y comprensión del principio del movimiento de traslación y rotación, después combinando estos dos anteriores para obtener el movimiento plano. Realizar una revisión bibliográfica respecto al concepto y función matemática que se ajusta para calcular las velocidades (lineales y angulares) y aceleraciones (lineales y angulares), utilizando las ecuaciones del movimiento plano general. A partir de lo anterior y utilizando los mismos ejercicios, resolverlos por medio de centros instantáneos (forma grafica o trigonométrica). Investigar, resolver y discutir problemas que se pueden solucionar por ambos métodos. Elaborar y analizar diagramas de velocidades y aceleraciones en los cuerpos rígidos o de un mecanismo. Resaltar la importancia de la Aceleración de Coriollis para un análisis completo de aceleraciones en un cuerpo rígido. Investigar la aplicación práctica de este concepto de coriollis. Unidad 3: Cinética del Cuerpo Rígido. Competencia Específica a Desarrollar Aplicar los conocimientos sobre las leyes de Newton del movimiento para el análisis y resolución de problemas de diferentes tipos de cuerpos rigidos o mecanismos. Calcular las fuerzas, aceleraciones, velocidades, tomando en cuenta la masa y la fuerza aplicada Actividades de Aprendizaje En grupo elaborar diagramas de fuerzas que permitan identificar los diferentes tipos de sistemas para la aplicación de las leyes del movimiento de Newton. Investigar, analizar y aplicar la segunda ley de newton al movimiento de las partículas o de los cuerpos rígidos. 10

11 a los cuerpos. Investigar, analizar y aplicar el método del trabajo y la energía para calcular velocidades y aceleraciones de las partículas o de los cuerpos rígidos. Aplicar los conceptos de potencia y eficiencia mecánica. Investigar, analizar y aplicar el método de la conservación de la energía, para calcular velocidades y celebraciones de las partículas o de los cuerpos rígidos En grupos de trabajo analizar y discutir la eficiencia, la diferencia y la importancia de estos métodos de solución. Unidad 4: Cinética de Sistemas de Partículas. Competencia específica a Actividades de Aprendizaje desarrollar Analizar y resolver problemas que involucren velocidades, aceleraciones, energías de varias partículas, aplicando el método del impulso y la cantidad de movimiento. aplicación Analizar y resolver problemas, relacionados con el impacto de partículas Investigar, discutir y analizar los conceptos: impulso, cantidad de movimiento e impacto. Formalizar investigación mediante la en la solución de problemas donde se calcule: - Velocidad, aceleraciones, masas y tiempos. Unidad 5: Cinética de los Cuerpos Rígidos. Competencia específica a Actividades de Aprendizaje desarrollar Mediante el análisis de los Investigar, discutir y analizar el concepto de principios de las ecuaciones de movimiento de un cuerpo rígido y del momento angular plantear y cantidad de movimiento angular y el principio de D`alembert, su importancia en Ingeniería Petrolera y establecer su aplicación práctica en el ramo. formular las funciones matemáticas para la solución de problemas de los cuerpos rígidos, fuerzas y aceleraciones involucradas. Unidad 6: Vibraciones Mecánicas. Competencia específica a Actividades de Aprendizaje desarrollar 11

12 Mediante el análisis de los principios de la segunda ley de Newton, principio del resorte y la frecuencia, establecer las ecuaciones que rigen las vibraciones mecánicas Investigar, discutir y analizar el concepto de vibraciones mecánicas: como lo son, vibraciones sin amortiguamiento (péndulo simple - solución aproximada, péndulo simple - solución exacta). Investigar, discutir y analizar el concepto de vibraciones amortiguadas (forzadas). Analizar y resolver problemas relacionados con vibraciones mecánicas sin amortiguamiento y amortiguadas. Diseñar y crear un prototipo físico con estos principios, para que el estudiante en ingeniería petrolera observe y analice la aplicación. Emplear herramientas computacionales o simuladores, para observar y analizar los sistemas físicos en que se involucren resortes y amortiguadores. 12

13 11.- FUENTES DE INFORMACIÓN 1. Hibbeler, R. C., Mecánica Vectorial para Ingenieros: Dinámica, 1 a edición, Ed. Pearson Educación. 2. Bedford A., Fowler W., Mecánica para Ingeniería Dinámica, 5 a edición, Ed. Pearson Educación. 3. Nelson, E.W, Mecánica Vectorial: Estática y Dinámica, 5 a edición, Ed. McGraw- Hill. 4. Beer, F. P. y Johnston, E. R. Mecánica Vectorial para Ingenieros: Dinámica, 8 a edición, Ed. McGraw Hill. 5. Soutas R W. / Inman D. J., Ingeniería Mecánica Dinámica Edición Computacional, 1 a edición, Ed. Cengage Learning. 6. Das Kassimali, Sami, Mecánica para Ingenieros: Dinámica, 1 a edición, Ed. Limusa. 7. Meriam, J. L., Mecánica para Ingenieros. Vol. 02: Dinámica, 3 a edición, Ed. Reverté. 13

14 12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS. 1. Visitas a talleres y laboratorios donde se visualice la importancia de la aplicación de la Dinámica y su relación con área ocupacional de la Ingeniería Petrolera. 2. Elaborar prototipos didácticos simples para demostrar las leyes del movimiento. 3. Resolver problemas mediante el uso de software. 4. Realizar experimento donde observe el cambio de parámetros de velocidad, y aceleración en función del tiempo. 5. Determinación experimental de la constante de rigidez de resortes (K) para vibraciones sin amortiguamiento. 6. Comprobar la segunda Ley de Newton mediante el uso de dinamómetros. 7. Análisis del principio de poleas en sistemas mecánicos, en la aplicación del equilibrio dinámico. 8. Determinación experimental del momento angular en términos de la cantidad de movimiento para cuerpos rígidos. 9. Comprobación experimental y teórica de la segunda Ley de Newton. 10. Estudio de diagramas de velocidades para diferentes sistemas dinámicos. 14